Харди космос - Hardy space
В комплексном анализе , что пространства Харди (или классы Харди ) Н р определенные пространства из голоморфных функций на единичном круге или верхней полуплоскости . Они были введены Фридьесом Риссом ( Riesz 1923 ), который назвал их в честь Г. Х. Харди из-за статьи ( Hardy 1915 ). В реальном анализе пространства Харди определенные пространства распределений на вещественной оси, которые (в смысле распределений) граничных значений голоморфных функций комплексных пространств Харди, и которые связаны с L р пространств в функциональном анализе . Для 1 ≤ р ≤ ∞ эти реальные пространства Харди Н р определенные подмножества из L р , а при р <1 L р пространства имеют некоторые нежелательные свойства, и пространства Харди намного лучше себя.
Существуют также многомерные обобщения, состоящие из некоторых голоморфных функций на трубчатых областях в комплексном случае или определенных пространств распределений на R n в вещественном случае.
Пространства Харди имеют ряд приложений в самом математическом анализе , а также в теории управления (например, методы H ∞ ) и в теории рассеяния .
Пространства Hardy для блочного диска
Для пространств голоморфных функций на открытом единичном круге пространство Харди H 2 состоит из функций f , среднее квадратическое значение которых на окружности радиуса r остается ограниченным снизу при r → 1.
В более общем смысле, пространство Харди H p для 0 < p <∞ - это класс голоморфных функций f на открытом единичном круге, удовлетворяющих
Этот класс H p является векторным пространством. Число в левой части приведенного выше неравенства - это p -норма пространства Харди для f , обозначаемая как Это норма при p ≥ 1, но не при 0 < p <1.
Пространство H ∞ определяется как векторное пространство ограниченных голоморфных функций на круге с нормой
При 0 <р ≤ Q ≤ ∞, класс Н д является подмножеством из Н р и Н р -норма возрастает с р (это является следствием неравенства Гельдера , что L р -норм увеличивается для вероятностных мер , т.е. меры общей массой 1).
Пространства Харди на единичном круге
Пространства Харди, определенные в предыдущем разделе, также можно рассматривать как некоторые замкнутые векторные подпространства комплексных пространств L p на единичной окружности. Эта связь обеспечивается следующей теоремой ( Кацнельсон, 1976 , теор. 3.8): для заданного f ∈ H p , p ≥ 0, радиальный предел
существует почти для любого θ. Функция принадлежит пространству L p для единичной окружности, и мы имеем, что
Обозначая единичную окружность через T , а через H p ( T ) - векторное подпространство в L p ( T ), состоящее из всех предельных функций , когда f изменяется в H p , тогда получается подпространство при p ≥ 1 ( Katznelson 1976 )
где ĝ ( n ) - коэффициенты Фурье функции g, интегрируемой на единичной окружности,
Пространство H p ( T ) является замкнутым подпространством в L p ( T ). Поскольку L p ( T ) - банахово пространство (для 1 ≤ p ≤ ∞), то H p ( T ) также.
Вышесказанное можно изменить. Для функции ∈ L p ( T ) при p ≥ 1 можно восстановить ( гармоническую ) функцию f на единичном круге с помощью ядра Пуассона P r :
и f принадлежит H p именно тогда, когда находится в H p ( T ). Предположим, что он находится в H p ( T ), т. Е. Имеет коэффициенты Фурье ( a n ) n ∈ Z с a n = 0 для любого n <0, тогда элемент f пространства Харди H p, связанный с, является голоморфной функцией
В приложениях функции с исчезающими отрицательными коэффициентами Фурье обычно интерпретируются как причинные решения. Таким образом, пространство Н 2 видно , чтобы сидеть , естественно , внутри L 2 пространства, и представлена бесконечных последовательностей , индексированных N ; в то время как L 2 состоит из би-бесконечных последовательностей , индексированных Z .
Связь с настоящими пространствами Харди на круге
Когда 1 ≤ p <∞, реальные пространства Харди H p, обсуждаемые далее в этой статье, легко описать в данном контексте. Действительная функция f на единичной окружности принадлежит действительному пространству Харди H p ( T ), если она является действительной частью функции из H p ( T ), а комплексная функция f принадлежит действительному пространству Харди тогда и только тогда, когда Re ( f ) и Im ( f ) принадлежат пространству (см. раздел о вещественных пространствах Харди ниже). Таким образом, для 1 ≤ p <∞ реальное пространство Харди содержит пространство Харди, но оно намного больше, поскольку между действительной и мнимой частью функции не налагается никакого отношения.
При 0 < p <1 такие инструменты, как коэффициенты Фурье, интеграл Пуассона, сопряженная функция, больше не действуют. Например, рассмотрим функцию
Тогда F находится в H p для любого 0 < p <1, и радиальный предел
существует для п.в. θ и находится в H p ( T ), но Re ( f ) равно 0 почти всюду, поэтому восстановить F из Re ( f ) уже невозможно . Как следствие этого примера, можно увидеть, что для 0 < p <1 нельзя охарактеризовать реальную H p ( T ) (определенную ниже) простым способом, указанным выше, но необходимо использовать фактическое определение с использованием максимальных функций, которые дается где-то ниже.
Для той же функции F пусть f r (e iθ ) = F ( re iθ ). Предел при r → 1 для Re ( f r ) в смысле распределений на окружности является ненулевым кратным распределению Дирака при z = 1. Распределение Дирака в точке единичной окружности принадлежит вещественному - H p ( T ) для любого p <1 (см. Ниже).
Факторизация на внутренние и внешние функции (Берлинг)
Для 0 < p ≤ ∞ любую ненулевую функцию f в H p можно записать как произведение f = Gh, где G - внешняя функция, а h - внутренняя функция , как определено ниже ( Rudin 1987 , Thm 17.17). Эта « факторизация Берлинга » позволяет полностью охарактеризовать пространство Харди пространствами внутренних и внешних функций.
Говорят, что G ( z ) - внешняя (внешняя) функция, если она принимает вид
для некоторого комплексного числа c с | c | = 1, и некоторая положительная измеримая функция на единичной окружности, интегрируемая на окружности. В частности, когда интегрируемо на окружности, G находится в H 1, потому что вышеприведенное принимает форму ядра Пуассона ( Рудин, 1987 , Thm 17.16). Это означает, что
почти для каждого θ.
Говорят, что h - внутренняя (внутренняя) функция тогда и только тогда, когда | h | ≤ 1 на единичном диске и предел
существует почти для всех θ и его модуль равен 1 п.в. В частности, h принадлежит H ∞ . Внутренняя функция может быть дополнительно преобразована в форму, включающую произведение Бляшке .
Функции F , разлагают , как ф = Gh , в H р тогда и только тогда , когда φ принадлежит L р ( Т ), где φ является положительной функцией в представлении внешней функции G .
Пусть G - внешняя функция, представленная, как указано выше, функцией φ на окружности. При замене φ на φ α , α> 0, получается семейство внешних функций ( G α ) со свойствами:
- G 1 = G , G α + β = G α G β и | G α | = | G | α почти всюду на окружности.
Отсюда следует, что всякий раз, когда 0 < p , q , r <∞ и 1 / r = 1 / p + 1 / q , каждая функция f из H r может быть выражена как произведение функции из H p и функции из H q . Например: каждая функция в H 1 является произведением двух функций в H 2 ; каждая функция из H p , p <1, может быть выражена как произведение нескольких функций из некоторого H q , q > 1.
Техники с вещественными переменными на единичном круге
Методы вещественных переменных, в основном связанные с изучением реальных пространств Харди, определенных на R n (см. Ниже), также используются в более простой структуре круга. Обычной практикой является разрешение сложных функций (или распределений) в этих «реальных» пространствах. В последующем определении не делается различия между реальным и сложным случаем.
Пусть P г обозначим через ядро Пуассона на единичной окружности Т . Для распределения f на единичной окружности положим
где звездочка означает свертку между распределением f и функцией e iθ → P r (θ) на окружности. А именно, ( f ∗ P r ) (e iθ ) является результатом действия f на C ∞ -функцию, определенную на единичной окружности формулой
При 0 < p <∞ вещественное пространство Харди H p ( T ) состоит из таких распределений f , что M f принадлежит L p ( T ).
Функция F , определенная на единичном круге F ( повторно iθ ) = ( е * Р г ) (е iθ ) является гармоническим, а М е является радиальной максимальной функцией из F . Когда М е принадлежит L р ( Т ) и р ≥ 1, то распределение F « является » функцией в L р ( Т ), а именно граничного значения F . При p ≥ 1 вещественное пространство Харди H p ( T ) является подмножеством L p ( T ).
Сопряженная функция
Каждому вещественному тригонометрическому многочлену u на единичной окружности ставится в соответствие действительный сопряженный многочлен v такой, что u + i v продолжается до голоморфной функции в единичном круге,
Это отображение u → v продолжается до ограниченного линейного оператора H на L p ( T ), когда 1 < p <∞ (с точностью до скалярного кратного, это преобразование Гильберта на единичной окружности), и H также отображает L 1 ( T ) до слабого - L 1 ( T ) . Когда 1 ≤ p <∞, для вещественнозначной интегрируемой функции f на единичной окружности эквивалентны следующие утверждения:
- функция f является действительной частью некоторой функции g ∈ H p ( T )
- функция f и сопряженная с ней H (f) принадлежат L p ( T )
- радиальная максимальная функция M f принадлежит L p ( T ).
Когда 1 < p <∞, H (f) принадлежит L p ( T ), когда f ∈ L p ( T ), следовательно, вещественное пространство Харди H p ( T ) совпадает с L p ( T ) в этом случае. При p = 1 вещественное пространство Харди H 1 ( T ) является собственным подпространством в L 1 ( T ).
Случай p = ∞ был исключен из определения вещественных пространств Харди, потому что максимальная функция M f функции L ∞ всегда ограничена, и потому что нежелательно, чтобы вещественное H ∞ было равно L ∞ . Однако два следующих свойства эквивалентны для вещественнозначной функции f
- функция f является действительной частью некоторой функции g ∈ H ∞ ( T )
- функция f и сопряженная с ней H (f) принадлежат L ∞ ( T ).
Вещественные пространства Харди для 0 < p <1
Когда 0 < p <1, функция F в H p не может быть восстановлена по действительной части ее граничной предельной функции на окружности из-за отсутствия выпуклости L p в этом случае. Выпуклость не выполняется, но остается своего рода « комплексная выпуклость », а именно тот факт, что z → | z | д является субгармоничен для любого д > 0. Как следствие, если
находится в H p , можно показать, что c n = O ( n 1 / p –1 ). Отсюда следует, что ряд Фурье
сходится в смысле распределений к распределению f на единичной окружности, причем F ( re iθ ) = ( f ∗ P r ) (θ). Функция F ∈ H p может быть восстановлена из действительного распределения Re ( f ) на окружности, поскольку коэффициенты Тейлора c n функции F могут быть вычислены из коэффициентов Фурье Re ( f ).
Распределения на окружности достаточно общие для работы с пространствами Харди, когда p <1. Распределения, которые не являются функциями, действительно встречаются, как это видно с функциями F ( z ) = (1− z ) - N (для | z | <1), которые принадлежат H p, когда 0 < N p <1 (и N целое число ≥ 1).
Вещественное распределение на окружности принадлежит вещественному H p ( T ) тогда и только тогда, когда оно является граничным значением действительной части некоторого F ∈ H p . Распределение Дирака δ x в любой точке x единичной окружности принадлежит вещественному H p ( T ) для любого p <1; производные δ ′ x принадлежат, когда p <1/2, вторые производные δ ′ ′ x, когда p <1/3, и так далее.
Пространства Харди для верхней полуплоскости
Можно определить пространства Харди в других областях, кроме диска, и во многих приложениях используются пространства Харди на комплексной полуплоскости (обычно правой полуплоскости или верхней полуплоскости).
Пространство Харди H p ( H ) на верхней полуплоскости H определяется как пространство голоморфных функций f на H с ограниченной нормой, причем норма задается формулой
Соответствующее H ∞ ( H ) определяется как функции ограниченной нормы, причем норма задается формулой
Хотя единичный круг D и верхняя полуплоскость H могут быть отображены друг в друга с помощью преобразований Мёбиуса , они не взаимозаменяемы как области для пространств Харди. Этому различию способствует тот факт, что единичная окружность имеет конечную (одномерную) меру Лебега, а действительная прямая - нет. Однако для H 2 справедлива следующая теорема: если m : D → H обозначает преобразование Мёбиуса
Тогда линейный оператор M : H 2 ( H ) → H 2 ( D ), определенный формулой
является изометрическим изоморфизмом гильбертовых пространств.
Реальные пространства Харди для R n
При анализе вещественного векторного пространства R n пространство Харди H p (для 0 < p ≤ ∞) состоит из умеренных распределений f таких, что для некоторой функции Шварца Φ с ∫Φ = 1 максимальная функция
находится в L p ( R n ), где ∗ - свертка, а Φ t ( x ) = t - n Φ ( x / t ) . Н р - квазинорм || f || Hp распределения f для H p определяется как L p- норма для M Φ f (это зависит от выбора Φ, но различные варианты выбора функций Шварца Φ дают эквивалентные нормы). Н р -quasinorm является нормой при р ≥ 1, но не тогда , когда р <1.
Если 1 < p <∞, пространство Харди H p является тем же векторным пространством, что и L p , с эквивалентной нормой. Когда p = 1, пространство Харди H 1 является собственным подпространством в L 1 . В H 1 можно найти последовательности , ограниченные в L 1, но неограниченные в H 1 , например, на прямой
В L 1 и Н 1 норма не эквивалентна на Н 1 и Н - не замкнуто в L 1 . Сопряженное к H 1 пространство BMO функций ограниченного среднего колебания . Пространство BMO содержит неограниченные функции (что еще раз доказывает, что H 1 не замкнут в L 1 ).
Если p <1, то пространство Харди H p имеет элементы, не являющиеся функциями, и его двойственное пространство является однородным липшицевым пространством порядка n (1 / p - 1). Когда p <1, H p -квазинорма не является нормой, так как не является субаддитивной. Р й степени || f || Hp p субаддитивен для p <1 и, таким образом, определяет метрику в пространстве Харди H p , которая определяет топологию и превращает H p в полное метрическое пространство.
Атомное разложение
Когда 0 < p ≤ 1, ограниченная измеримая функция f с компактным носителем находится в пространстве Харди H p тогда и только тогда, когда все ее моменты
порядок i 1 + ... + i n не превосходит n (1 / p - 1), обращается в нуль. Например, интеграл от f должен обратиться в нуль, чтобы f ∈ H p , 0 < p ≤ 1, и пока p > n / ( n +1), этого также достаточно.
Если, кроме того, f имеет опору в каком-то шаре B и ограничена | B | −1 / p, то f называется H p -атомом (здесь | B | обозначает евклидов объем B в R n ). Н р -quasinorm произвольного Н р -атом ограничена константой , зависящей только от р и на функции Ф Шварца.
Когда 0 < p ≤ 1, любой элемент f из H p имеет атомное разложение как сходящуюся бесконечную комбинацию H p -атомов,
где a j - H p -атомы, а c j - скаляры.
На линии, например, разница распределений Дирака е = δ 1 -δ 0 может быть представлена в виде ряда функций Хаара , сходящихся в H р -quasinorm когда это 1/2 < р <1 (на окружности, соответствующее представление справедливо при 0 < р <1, но на линии, функции Хаара не принадлежат H р при р ≤ 1/2 , потому что их максимальная функция эквивалентна на бесконечности в виде х -2 для некоторых ≠ 0).
Мартингейл H p
Пусть ( M n ) n ≥0 - мартингал на некотором вероятностном пространстве (Ω, Σ, P ) относительно возрастающей последовательности σ-полей (Σ n ) n ≥0 . Предположим для простоты, что Σ равно σ-полю, порожденному последовательностью (Σ n ) n ≥0 . Функция максимальна мартингала определяется
Пусть 1 ≤ p <∞. Мартингал ( M n ) n ≥0 принадлежит мартингалу - H p, когда M * ∈ L p .
Если M * ∈ L p , мартингал ( M n ) n ≥0 ограничен в L p ; следовательно, он почти наверняка сходится к некоторой функции f по теореме о мартингальной сходимости . Более того, M n сходится к f в L p -норме по теореме о мажорируемой сходимости ; следовательно, M n можно выразить как условное ожидание f на Σ n . Таким образом, можно отождествить мартингал- H p с подпространством L p (Ω, Σ, P ), состоящим из таких f , что мартингал
принадлежит martingale- H p .
Из максимального неравенства Дуба следует, что мартингал- H p совпадает с L p (Ω, Σ, P ) при 1 < p <∞. Интересным пространством является мартингал- H 1 , дуальный мартингал-BMO ( Гарсия, 1973 ).
Неравенства Буркхолдера – Ганди (когда p > 1) и неравенство Берджесса Дэвиса (когда p = 1) связывают L p -норму максимальной функции с нормой квадрата функции мартингала
Мартингейл- H p можно определить, сказав, что S ( f ) ∈ L p ( Гарсия, 1973 ).
Также можно рассматривать мартингалы с параметром непрерывного времени. Прямая связь с классической теорией достигается через комплексное броуновское движение ( B t ) в комплексной плоскости, начиная с точки z = 0 в момент времени t = 0. Пусть τ обозначает время попадания в единичную окружность. Для любой голоморфной функции F в единичном круге
является мартингалом, который принадлежит мартингалу- H p тогда и только тогда, когда F ∈ H p ( Burkholder, Gundy & Silverstein, 1971 ).
Пример: диадический мартингал- H 1
В этом примере Ω = [0, 1] и Σ n - конечное поле, порожденное диадическим разбиением [0, 1] на 2 n интервалов длины 2 - n для любого n ≥ 0. Если функция f на [0, 1] представляется своим разложением по системе Хаара ( h k )
тогда мартингальная норма H 1 функции f может быть определена нормой L 1 функции квадрата
Это пространство, иногда обозначаемое H 1 (δ), изоморфно классическому вещественному пространству H 1 на окружности ( Мюллер, 2005 ). Система Хаара является безусловным базисом для H 1 (δ).
Примечания
- ^ Берлинг, Арне (1948). «О двух проблемах, касающихся линейных преобразований в гильбертовом пространстве» . Acta Mathematica . 81 : 239–255. DOI : 10.1007 / BF02395019 .
- ^ Войчик, Майкл; Зальцман, Лоуренс (1965). «Внутренние и внешние функции на римановых поверхностях» . Труды Американского математического общества . 16 (6): 1200–1204. DOI : 10.1090 / S0002-9939-1965-0183883-1 .
использованная литература
- Burkholder, Donald L .; Ганди, Ричард Ф .; Silverstein, Martin L. (1971), "Функция максимальной характеристика класса Н р " , Труды Американского математического общества , 157 : 137-153, DOI : 10,2307 / 1995838 , JSTOR 1995838 , MR 0274767 , S2CID 53996980 .
- Cima, Joseph A .; Росс, Уильям Т. (2000), Обратный сдвиг в пространстве Харди , Американское математическое общество , ISBN 978-0-8218-2083-4
- Колвелл, Питер (1985), Продукты Бляшке - ограниченные аналитические функции , Анн-Арбор: University of Michigan Press , ISBN 978-0-472-10065-1
- Дурен, П. (1970), Теория H p -пространств , Academic Press
- Фефферман, Чарльз ; Штейн, Элиас М. (1972), " Н р пространства нескольких переменных", Acta Mathematica , 129 (3-4): 137-193, DOI : 10.1007 / BF02392215 , МР 0447953 .
- Folland, GB (2001) [1994], "Пространства Харди" , Энциклопедия математики , EMS Press
- Гарсия, Адриано М. (1973), Неравенства Мартингейла: Заметки семинара о недавнем прогрессе , Серия заметок к лекциям по математике, WA Benjamin Руководство по ремонту 0448538
- Hardy, GH (1915), "О среднем значении модуля аналитической функции" , Труды Лондонского математического общества , 14 : 269-277, DOI : 10,1112 / ПНИЛИ / s2_14.1.269 , JFM 45.1331.03
- Хоффман, Кеннет (1988), банаховы пространства аналитических функций , Dover Publications , ISBN 978-0-486-65785-1
- Кацнельсон, Ицхак (1976), Введение в гармонический анализ , Dover Publications , ISBN 978-0-486-63331-2
- Косис, П. (1998), Введение в пространства H p (второе изд.), Cambridge University Press
- Машреги, Дж. (2009), Теоремы представления в пространствах Харди , Cambridge University Press, ISBN 9780521517683
- Мюллер, Пауль FX (2005), Изоморфизмы между пространствами H 1 , Институт математики Польской академии наук. Математические монографии (новая серия), Базель: Биркхойзер , ISBN 978-3-7643-2431-5, Руководство по ремонту 2157745
- Рисса, Ф. (1923), "Убер умереть Randwerte етег analytischen Funktion", Mathematische Zeitschrift , 18 : 87-95, DOI : 10.1007 / BF01192397 , S2CID 121306447
- Рудин, Уолтер (1987), Реальный и комплексный анализ , McGraw-Hill , ISBN 978-0-07-100276-9
- Шведенко, С.В. (2001) [1994], "Классы Харди" , Энциклопедия математики , EMS Press